納米結(jié)構(gòu)材料在先進能源器件應(yīng)用中的表界面問題研究(編輯修改稿)
2025-04-21 07:05 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 體氧化態(tài)的變化；通過薄膜與電化學(xué)技術(shù)，準(zhǔn)確研究活性材料的電荷轉(zhuǎn)移過程；研究表面修飾對這一過程的影響，研究納米材料中的電荷轉(zhuǎn)移過程的動力學(xué)特性，發(fā)展新的原位測量真實電極輸運特性測量技術(shù)，以對復(fù)雜體系輸運問題有一個基本認識。研究氧化還原電子空穴對在電解質(zhì)中的擴散和輸運等電化學(xué)特性，以及電解質(zhì)與電極之間的相互作用，尋找提高電池性能和解決電池穩(wěn)定性的有效途徑。研究固態(tài)和準(zhǔn)固態(tài)復(fù)合電解質(zhì)的填充工藝，為電池的大規(guī)模生產(chǎn)打下基礎(chǔ)。綜合研究能量轉(zhuǎn)換器件在工作狀態(tài)下（光激勵下）的電子和離子響應(yīng)、電子的轉(zhuǎn)移速率、離子的遷移機制、電池體系中的光電化學(xué)過程等；研究器件界面結(jié)構(gòu)對于電荷分離、電子轉(zhuǎn)移和電子復(fù)合動力學(xué)機制的影響和規(guī)律；建立量子點光伏器件的最優(yōu)結(jié)構(gòu)模型等。在鋰離子電池與金屬鋰電池儲能材料方面，將針對材料的微觀結(jié)構(gòu)、組成進行設(shè)計，實現(xiàn)對器件循環(huán)性、動力學(xué)的導(dǎo)電添加劑、表界面修飾、集流體、電解液組成等方面進行調(diào)控。通過熱力學(xué)計算確定具有高容量正、負極材料體系，主要針對過渡金屬化合物與納米復(fù)合物，根據(jù)目標(biāo)容量，設(shè)計電極材料中活性物質(zhì)與非活性物質(zhì)的比例，確定化學(xué)組成，再進一步設(shè)計材料的微觀結(jié)構(gòu)，使其滿足綜合性能優(yōu)異的要求。根據(jù)計算確定的材料體系與微觀結(jié)構(gòu)，設(shè)計合適的材料制備方法。通過固相合成、液相合成、水熱或溶劑熱、化學(xué)氣相沉積等材料制備方法研制出本課題提出的負極材料，采用控制劑量比、合成氣氛、模板、合成步驟來調(diào)整材料的維度、形貌、結(jié)晶度、雜質(zhì)、孔分布、組成分布、粒徑分布、表面組成與結(jié)構(gòu)等。通過多種表征手段，如SEM、FIBSEM、XRD、XPS、FTIR和Raman光譜、TEM、TGDSCMS等材料分析手段，確定所合成材料的組成與結(jié)構(gòu)與制備過程中的反應(yīng)機理。通過NMR、EPR、XAS、Mossbaur等光譜技術(shù)獲得材料的精細結(jié)構(gòu)信息。通過微探針、薄膜電極測量材料的本征電子電導(dǎo)與離子電導(dǎo)，最終確定復(fù)合材料的物理化學(xué)參數(shù)是否達到了材料的設(shè)計要求。測定材料的儲鋰容量、儲鋰效率、倍率特性、循環(huán)性能。在電極過程動力學(xué)研究方面，將綜合循環(huán)伏安、交流阻抗、電位馳豫、恒電流間歇滴定技術(shù)、電位階躍等方法，研究和確定材料與界面的動力學(xué)速率控制步驟，從而明確動力學(xué)中活性材料的貢獻以及非活性材料的貢獻。在界面反應(yīng)研究中，采用FTIR、Raman、TEM、XPS、TGDSCMS、電化學(xué)色譜、電化學(xué)質(zhì)譜聯(lián)用等手段，通過比對參考化合物，對新儲能材料在充放電過程中表面SEI膜成份、厚度、形貌， 反應(yīng)中產(chǎn)生的氣體予以確認，對界面反應(yīng)的熱效應(yīng)進行研究。在電極材料在充放電過程中的組成與結(jié)構(gòu)的演變研究中，將通過原位XRD、XAS、電化學(xué)阻抗譜(EIS)、原位掃描電鏡與透射電鏡、原位核磁共振技術(shù)，研究充放電過程中材料的晶體結(jié)構(gòu)、價態(tài)、局域結(jié)構(gòu)、表面結(jié)構(gòu)，獲得結(jié)構(gòu)演變的信息。綜合材料的設(shè)計、模擬、表征、電化學(xué)測量、原位測量的研究結(jié)果，對本課題關(guān)注的前述研究內(nèi)容以及涉及到的基礎(chǔ)科學(xué)問題進行研究，并進而指導(dǎo)、優(yōu)化高容量負極材料體系的確定，材料的制備工藝優(yōu)化以及電極結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化。２、可行性1) 研究目標(biāo)明確，技術(shù)路線合理，前期工作基礎(chǔ)扎實。 研究結(jié)果表明，能源材料的表界面結(jié)構(gòu)和性能是影響能源器件性能的決定性因素。本項目研究目標(biāo)集中于高能量密度鋰電池和高光電轉(zhuǎn)化效率量子點光伏電池，抓住能源器件中納米結(jié)構(gòu)材料表界面這一關(guān)鍵科學(xué)問題展開研究。研究團隊在表界面原位表征技術(shù)、納米材料制備技術(shù)、鋰電池器件研究、量子點光伏器件研究等方面具有扎實的研究基礎(chǔ)，前期研究中取得了系列重要成果，為本項目的實施奠定了基礎(chǔ)。 2) 高水平的研究隊伍及合理的學(xué)科布局。 本項目作為高度學(xué)科交叉的研究項目，集中了國內(nèi)能源器件研究相關(guān)領(lǐng)域的優(yōu)勢實驗室和研究團隊，通過交叉協(xié)作的研究方案，形成整體攻關(guān)團隊。項目組參加人員的學(xué)科布局合理，年齡分布合理，通過團隊成員在各自領(lǐng)域的研究能力、特色技術(shù)和密切合作，有望實現(xiàn)高性能能源器件的重大突破。 3) 承擔(dān)單位支撐條件完善。 本項目依托北京分子科學(xué)國家實驗室（籌）和北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）兩個國家實驗室，廈門大學(xué)表面物理化學(xué)國家重點實驗室，以及分子納米結(jié)構(gòu)與納米技術(shù)實驗室、有機固體實驗室、光化學(xué)實驗室、清潔能源前沿研究實驗室等4個中科院重點實驗室，具有先進的研究設(shè)備和完善的科研支撐條件，為全面實現(xiàn)本項目的研究目標(biāo)提供了保障。綜上所述，本項目研究方案的提出是基于項目團隊多年來在相關(guān)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究積累。項目研究內(nèi)容明確、技術(shù)路線合理。項目團隊成員學(xué)術(shù)思想活躍，與國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究組保持密切的合作關(guān)系。因此，從科學(xué)思想、研究內(nèi)容、研究方法、技術(shù)路線、人員配備、科研條件、前期工作基礎(chǔ)等多方面考慮，本項目的可行性強。3. 創(chuàng)新點 本項目以能源器件中納米結(jié)構(gòu)材料表界面這一共性科學(xué)問題為切入點，以高光電轉(zhuǎn)化效率量子點光伏器件和高能量密度鋰電池為目標(biāo)，以先進的納米材料制備、表征和測試技術(shù)為支撐，結(jié)合理論計算，在分子、納米、微米等多層次上開展系統(tǒng)研究，從根本上打破制約能源器件性能提升的瓶頸。本項目的特色是基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究密切結(jié)合，理論研究與實驗研究密切結(jié)合，研究團隊涵蓋表面化學(xué)、電化學(xué)、納米材料、光電器件等領(lǐng)域，多學(xué)科交叉，可望獲得一批有特色的研究成果。４. 課題設(shè)置 為保證項目的順利實施和完成，我們將研究內(nèi)容劃分為三個層面，組織4個課題進行分工合作。三個層面分別是能源納米材料的可控制備，納米表界面結(jié)構(gòu)的實時原位表征，以及高性能能源器件的構(gòu)筑。能源納米結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計和可控制備為具有理想結(jié)構(gòu)、優(yōu)異光電特性或儲能特性、熱力學(xué)穩(wěn)定和動力學(xué)活性高的表界面服務(wù)，而表界面的深入研究又為先進能源器件的構(gòu)筑奠定基礎(chǔ)。四個課題設(shè)置如下：１）課題１：能量轉(zhuǎn)換與存儲納米結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計和可控制備主要研究內(nèi)容：（１）研究幾種典型能源納米結(jié)構(gòu)材料的形成機理及其電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)，例如TiO2納米管、線及其復(fù)合材料，碳納米管、石墨烯、富勒烯、石墨炔等全碳納米材料，CdS、CdSe等量子點材料等。研究材料的尺寸效應(yīng)和量子效應(yīng)對其光電和儲能特性的影響，解釋實驗合成的納米結(jié)構(gòu)基元的分子結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)，總結(jié)其中的規(guī)律，找出納米結(jié)構(gòu)影響材料性能的關(guān)鍵因素，并在此基礎(chǔ)上提出納米材料結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的改進方案，設(shè)計新型的納米結(jié)構(gòu)基元。（２）針對量子點光伏器件，利用量子力學(xué)第一性原理計算與分子動力學(xué)方法相結(jié)合，建立量子點光伏器件的宏觀微觀多尺度多物理場模型。通過對量子點電池各種材料之間的能級匹配關(guān)系和性能模擬，確定影響其光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素。（３）開展對鋰離子電池系統(tǒng)電極材料的研究。研究高容量富鋰相正極材料的典型納米結(jié)構(gòu)和可控制備，針對先進鋰離子電池正極材料，重點研
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